自然界ではある系の中の熱は平衡点に達するまで移動します。熱は両物体間に温度差がある限り熱い物体より冷たい物体に移動します。
熱交換器は、この均衡点を見出す原理に従います。プレート式熱交換器では熱は、熱い流体と冷たい流体を隔離している伝熱板プレートを通して移動します。従って低いエネルギーレベル差しかない場合でも、流体を加熱・冷却することが可能になります。両流体の熱が移動する理論は下記の原則にもとづいています。
熱は次の３つの方法によって移動します。
熱交換器は熱を継続的にある流体から他の流体へ移動するための機器です。熱交換器には２つの型があります。
ここでは間接熱交換器のみを取り上げます。間接熱交換器にはプレート式、多管式、スパイラル式などいくつかの種類があります。プレート式熱交換器は多くの場合最も効率の良い熱交換器で、一般的に伝熱の問題に対して最適なソリューションを提供することができます。プレート式熱交換器の特長は以下の点が挙げられます。
プレート式熱交換器の伝熱部である伝熱板の薄さは一般的に0.4-0.8mmであり、多管式熱交換器と比較しても薄くこれは伝熱効率の観点から優れています。
乱流効果は両流体間に効率のよい伝熱をもたらします。これにより高い総括伝熱係数は必要な伝熱面積を小さくし、熱交換器のコンパクト化を実現します。さらに、より高い乱流効果によって伝熱面の汚れに対して自己洗浄作用をもたらし、汚れの付着を抑えることで洗浄インターバルがより長くとれ、開放洗浄の頻度をおさえ長期にわたって利用できるメリットがあります。
ガスケット式プレート式熱交換器は、伝熱板をフレームに組み込んだ構造ですので、伝熱板枚数を増減することによって容易に能力の増減が可能です。また伝熱板の洗浄はボルトを外し、遊動側フレームを移動し伝熱板を取り出すことで容易に可能です。
アルファ・ラバルのプレート式熱交換器の多くは１つの型式に異なった波形を有しています。１つはやや鈍角の波形を持つ伝熱板で圧力損失は大きくなりますが、伝熱効率は高くなります。これはHighθプレートと呼ばれます。一方で、やや鋭角の波形を持つ伝熱板は圧力損失が小さくなるというメリットがある反面、伝熱効率は少し低くなります。これはLowθプレートと呼ばれます。近年、アルファ・ラバルではこれまでのHigh/Lowθの伝熱板に加えて、表面と裏面で流路断面積の異なる伝熱板をラインナップし、適切に伝熱板配列を設計することで圧力損失と伝熱効率のバランスのとれた設計が可能となっています。（新型Tシリーズから順次対応）
締付ボルトを外すだけで、すべての伝熱プレートを容易に点検・洗浄することができます。
伝熱板が薄く、コンパクトな設計のため材料コストの削減ができ、多管式熱交換器と比較して高い熱交換効率とともに優れた経済性を実現します。
同一熱交換能力を持つ多管式熱交換器と比べ必要なメンテナンススペースを考慮した場合1/3~1/5というコンパクト性を誇ります。設置スペースを削減するとともに、熱交換器重量も軽量になりますので基礎工事などの設置コストを削減することが可能です。
多管式熱交換器などに比べ流体の内部滞留（ホールド）量がひじょうに少ないため運転条件の変化すばやく応答でき、流体の温度調節が容易です。
液/液熱交換器の伝熱計算を行うための重要な数値は、次の6つです。
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両流体の入口及び出口温度を意味します。 T1=高温側入口温度 これらの温度条件は下記の図で表します。 |
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大気への放熱を無視すると、一方の流体の減少する熱量は、他方の流体の増加する熱量に等しくなります。伝熱量(Q)は kW または kcal/h で表示されます。
対数平均温度差(LMTD)は熱移動に必要なポテンシャルを表しています。
θバリューは一方の側の温度差とLMTDの関係で決まります。
（δt＝一方の流体の入口温度と出口温度の差）
これは重量または容積のどちらかで表します。質量流量の単位はkg/s又はkg/hで、体積流量の場合はl/min又はm3/hとなります。（体積単位を重量単位に換算するには、体積流量に密度をかけます）
密度(ρ)は単位容積当たりの質量で、kg/m3で表します。
比熱(Cp)は1㎏の物質の温度を1℃高めるのに必要なエネルギー量を意味します。水の比熱は18℃で4.186 kJ/(㎏･K) {1.0 kcal/(kg･℃)}です。
熱伝導度(λ)は流体の熱の伝わりやすさの尺度で、W/(m･K) で表します。 熱伝導度が大きいほど熱が伝わりやすくなります
粘度(μ)は流体の流れやすさの尺度で、センチポイズ(cp)又はセンチストーク(cst)で表します。 粘度が小さいほど流れやすくなります。
圧力損失（ΔP）はプレート式熱交換器の大きさに直接関係します。最大許容圧力損失を増加し、ポンプ動力のランニングコストが許容されるのであれば、熱交換器はコンパクト・安価に設計できます。
汚れ係数(Rf)は、余裕率（％）又は汚れ係数として表現されマージンを表します。プレート式熱交換器は多管式熱交換器より高い乱流を得るように設計することが可能であり、一般的に同じ仕様に対して小さい汚れ係数で十分なことを意味します。プレート式熱交換器の設計にあたってのマージンは通常10-20%程度といわれています。
総括伝熱係数(k)は熱の流れに関する効率を表す尺度で、流体の物性（密度、比熱、熱伝導度、粘度）、使用する熱交換器の型式、伝熱部の流速、伝熱板の材質・厚さ及び汚れ係数により、効率を総合したものです。総括伝熱係数はW/(m2･K)又はkcal/(m2･h･℃)で表します。
Q=M×Cp×δt
ここで Q=伝熱量 (kWまたはkcal/h)
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計算手順 伝熱量は次の式により得られます。 Q=M×Cp×δt ここでは Q＝伝熱量 kW = kJ/s {kcal/h} |
LMTDは次の式を使って計算で求められます。
総括伝熱係数Kは次の式で定義されます。
α1=高温側流体とその伝熱表面の間の伝熱係数 W/(m2･K) {kcal/(m2･h･℃)} |
熱交換器の設計余裕率は汚れ係数以外にも、マージン（総括伝熱係数余裕率）％として表すこともできます。
k(clean) ＝汚れ係数を含まない総括伝熱係数k値
k(service)=汚れ係数を含む総括伝熱係数k値
上記全ての数値がプレート式熱交換器の型式選定・伝熱面積選定に関与します。伝熱板材質の選択は熱交換効率以外に強度及び腐食性に大きく関係しますので重要な要素となります。プレート式熱交換器では、一般的な材質としてはステンレススチール、チタンをはじめ254SMO(*1)、ハステロイ合金(*2)、ニッケル、グラファイトなどの特殊材質で製作することが可能です。
(*1) : 254SMOはフィンランド オウトクンプ社の登録商標です
(*2) : ハステロイはアメリカ ヘインズ社の登録商標です
プレート式熱交換器では温度差が小さい場合においても伝熱可能であり、また伝熱板の厚さを薄く（0.4-0.8mm）できるメリットがあります。さらに高い乱流効果によってαの値を大きくとることが可能です。それにより一般的な多管式の熱交換器と比較して液/液の熱交換の場合において3-5倍程度（蒸発・凝縮などの２相流の場合は2-3倍程度）の総括伝熱係数Kの値が採用できます。
また前述のようにプレート式熱交換器の大きさと価格に影響を与える重要なパラメータは許容圧力損失とLMTDの値になります。多くの場合、許容圧力損失とLMTDの値が大きくなると熱交換器はコンパクトになります。特に廃熱回収用途では、熱交換器のコスト（設置コストも含めた導入コストとメンテナンスも含めたランニングコストの合計）と回収熱量の関係が重要であり「どれだけメリットがあるのか」という投資回収にかかる期間が計画実行の鍵となります。
プレート式熱交換器の性能計算は、伝熱板のプレス形状、プレート流間ならびに許容圧力損失など様々な条件が影響を与えます。アルファ・ラバルでは、独自のプレート式熱交換器専用のサイジングソフトウェアを開発しています。プレート式熱交換器の設計のご要望は、正規代理店または下記の問い合わせフォームからご依頼ください。
伝熱プレートおよびガスケットの材質
アルファ・ラバルのプレート式熱交換器は、流体・温度・圧力などの様々な使用条件に対応して、材質の異なる伝熱プレートやガスケットを取り揃えています。これらの中から、お客様の運転ニーズに最適な材質を選定することができます。
主な伝熱プレート材質
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材質 |
対応する流体 |
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ステンレススチール |
清水、河川水、食用油、鉱物油 |
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チタンおよびパラジウム入りチタン |
海水、塩水、塩素水、塩化物水溶液 |
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254SMO(*1) |
希硫酸、希塩化物水溶液、無機水溶液 |
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ニッケル |
高温・高濃度苛性ソーダ |
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ハステロイ(*2)合金（C276、C2000、D205など） |
濃硫酸、塩酸、リン酸 |
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グラファイト |
塩酸、中濃度硫酸、リン酸、フッ酸 |
(*1)254SMOはフィンランド オウトクンプ社の登録商標です
(*2)ハステロイはアメリカ ヘインズ社の登録商標です
プレート式熱交換器の主なガスケット材質
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材質（略称） |
使用温度℃（目安） |
適応流体 |
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ニトリルゴム(NBR) |
-25～140℃ |
水、海水、鉱物油、ブライン |
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水素化ニトリルゴム(HNBR) |
-5～160℃ |
高温鉱物油、高温水 |
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エチレンプロピレンゴム（EPDM） |
-25～180℃ |
熱水、水蒸気、酸、アルカリ |
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フルオロエラストマー(HeatSeal TM) |
5～200℃ |
熱水、水蒸気、アルカリ（苛性ソーダ） |
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フッソゴム（バイトン(*1)） |
-5～150℃ |
濃硫酸、クロム酸、溶剤 |
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クロロプレンゴム（CR） |
-30～110℃ |
冷媒（アンモニア、フロン） |
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テフロン(*1)包みガスケット(PTFE) |
0～150℃ |
有機溶剤 |
本表はあくまでも目安です。詳細についてはアルファ・ラバルにお問い合わせください。
(*1) バイトンはアメリカ デュポン社の登録商標です
